Scrollpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scrollpumpe - auch Spiralpumpe genannt - zur Förderung von Gasen oder Gas-Kondensat-Gemischen. Diese Pumpe besitzt einen Einlass, einen Auslass, eine feststehende Statorscheibe und eine oszillierende Rotorscheibe, die auf einer Antriebswelle befestigt ist. Die Statorscheibe und die Rotorscheibe liegen im wesentlichen parallel zueinander und tragen jeweils spiralförmig verlaufende Flanken, die unter Bildung von veränderlichen Förderräumen ineinander eingreifen.
Das Wirkprinzip von Spiralpumpen ist seit langem bekannt. In der DE 28 26 071 C2 ist beispielsweise eine Spiralpumpe beschrieben, wobei dort insbesondere unterschiedliche Gestaltungen der Spiralelemente gezeigt sind, um Förderdruckpulsa- tionen zu vermeiden. Generell greifen bei der Spiral- oder Scrollpumpe zwei spiralförmig verlaufende Flanken oder Rippen ineinander ein, wobei durch die Oszillationsbewegung mindestens einer dieser Scheiben der zwischen diesen Flanken ausgebildete Förderraum kontinuierlich von außen nach innen verschoben wird. Dabei wird das im Förderraum eingeschlossene Medium kontinuierlich entlang der Flanken transportiert und üblicherweise nach Erreichen des Zentrums der Spiralen aus der Pumpe abgegeben.
Aus der EP 0 579 888 AI ist eine rotierende Spiralpumpe bekannt, bei welcher die spiralförmig verlaufenden Rippen in mehrere Segmente unterteilt sind, um hohe Drücke zu erzielen und temperaturbedingte Toleranzprobleme zu vermeiden.
Bisher bekannte Scrollpumpen besitzen das Problem, dass sich zwischen den spiralförmig verlaufenden Flanken Kondensat sammeln kann, welches nur schwer durch den spiralförmigen Förderraum abtransportiert werden kann und dadurch die Förderleistung der Pumpe stark beeinträchtigt. Wenn sich beispielsweise auf Grund des gegen ein üblicherweise vorhandenes Ausgangsventil aufzubauenden Drucks Kondensat ausbildet und die Pumpe außer Betrieb genommen wird, verbleibt eine Restmenge des Kondensats in bestimmten Abschnitten des Förderraums, was insbesondere bei der Förderung aggressiver Medien zu einem erhöhten Verschleiß der Pumpe führt.
Bekannte Scrollpumpen haben eine horizontale Antriebswelle, so dass die Scheiben mit den spiralförmigen Flanken vertikal stehen. Durch diese Anordnung kann auch nach Abschalten der
Pumpe das im Förderraum angesammelte Kondensat nicht entfernt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Scrollpumpe bereit zu stellen, bei welcher die Kondensatansammlung im Förderaum reduziert wird. Dazu soll das im Förderraum auftretende Kondensat ohne Weiteres nach außen abgeführt werden und selbst bei stehender Pumpe nicht im Förderraum verbleiben. Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht außerdem darin, die Neigung zur Kondensatausbildung innerhalb des Förderraums zu reduzieren. Schließlich ist es Ziel der Erfindung, die Scrollpumpe unempfindlich gegen aggressive Medien zu gestalten und die Baugröße der mit einem Antriebsmotor gekoppelten Pumpenein- heit zu reduzieren.
Die genannte Aufgabe wird von der erfindungsgemäßen Scrollpumpe gelöst, indem die Antriebswelle im Betriebszustand im wesentlichen vertikal angeordnet ist, so dass die Scheiben im wesentlichen horizontal liegen. Die Flanken der Scheiben stehen also bevorzugt vertikal, da sie weitgehend senkrecht zur Ebene der Scheiben verlaufen. Außerdem geht der Auslass vom Zentrum der unten liegenden Scheibe aus und ist derart nach außen geführt, dass gegebenenfalls anstehendes Kondensat auf Grund der Schwerkraft abfließen kann.
Diese Bauart verhindert die Ansammlung von Kondensat in unteren Bereichen des Förderraums, da das Kondensat auf Grund der Schwerkraft selbsttätig zum Auslass fließt und von dort aus abgegeben werden kann. Die Scrollpumpe muss eventuell auftre- tendes Kondensat daher nicht aktiv fördern, so dass die Förderleistung nicht beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Auslass der Scrollpumpe kein Ausgangsventil eingeschaltet. Dadurch können die geförderten Gase bzw. Dämpfe den Auslass ungehindert passieren, ohne dass ein Öffnungsdruck eines Ausgangsventils überwunden werden müsste. Bei der Abgabe des gepumpten Mediums erfährt dieses somit keine Druckerhöhung, die bei herkömmlichen Pumpen immer die Gefahr des Auskondensierens von Dämpfen in sich birgt. Diese veränderten Druckverhältnisse reduzieren grundsätzlich die Neigung von Dämpfen zum Auskondensieren, so dass von vornherein weniger Kondensat im Förderraum entsteht.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist an dem freien Ende der spiralförmig verlaufenden Flanken eine Spiraldichtung angebracht, welche zur Abdichtung des Förderraums an der gegenüberliegenden Scheibe anliegt.
Durch diese Dichtung werden die .benachbarten Förderräume zwischen den einzelnen Windungen der Spirale voneinander getrennt.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die genannte Spiraldichtung in einer stirnseitigen Nut in den Flanken eingelegt ist und in axialer Richtung geringfügig über die Flanken hinaus ragt. Auf diese Weise entsteht am Übergang zwischen Dichtung und Flanke ein kleiner Kanal, der in jedem Abschnitt der spiralförmigen Flanken den Abfluss von gegebenenfalls vorhandenem Kondensat gestattet, selbst wenn die Förderscheibe der Scrollpumpe nicht bewegt wird. Kondensat kann dadurch auch nach Außerbetriebnahme der Pumpe allein auf Grund der Schwerkraft nach außen abfließen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zusätzlich zu der Spiraldichtung eine innere und eine äußere umlaufende Dichtung angebracht sind, die eine vollständige Abdichtung des Förderraums gegenüber den Lagern und sonstigen Gehäuseteilen bewir- ken, so dass aggressive Medien nur innerhalb des Förderraums auftreten, welcher aus einem resistenten Material hergestellt sein oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung aufweisen kann. Auf diese Weise kann ein gasdichter Pumpenraum erzeugt werden, in welchen keine Lager für bewegte Teile integriert werden müssen, so dass beispielsweise auf fehleranfällige und komplizierte Wellendichtungen oder gasdichte Kugellager verzichtet werden kann. Außerdem bietet dies den Vorteil, das keine Schmiermittel benötigt werden, so dass eine Rückdiffusion solcher Stoffe in den vorgeschalteten Vakuumbereich ausgeschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform geht die Antriebswelle, an welcher die Förderscheibe befestigt ist, unmittelbar in die Abtriebswelle eines elektrischen Motors über bzw. ist einstückig mit dieser ausgebildet. Der Antriebsmotor kann auf diese Weise in unmittelbarer Nähe der Scrollpumpe positioniert werden, so dass die Baugröße der gesamten Einheit minimiert wird. Außerdem kann dadurch auf Kupplungselemente zwischen den Wellen verzichtet werden, wodurch sich der Montageaufwand und die Bauteilkosten reduzieren lassen. Bei abgewan- delten Ausführungsformen kann jedoch auch eine andere Verbindung zwischen Scrollpumpe und Antriebsmotor gewählt werden. Beispielsweise können Standard-Flanschmotoren an die Pumpe angekoppelt werden.
Weiter Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer Scrollpumpe mit einem elektrischen Motor;
Fig. 2 eine detailliertere Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Scrollpumpe;
Fig. 3 eine vereinfachte Ansicht der Scrollpumpe von unten;
Fig. 4 eine geschnittene Detailansicht einer Statorscheibe und einer Rotorscheibe mit jeweiligen Flanken;
Fig. 5 die Rotorscheibe in einer Draufsicht.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Scrollpumpe in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. Die Scrollpumpe besitzt ein Gehäuse 1, in welchem eine feststehende Stator- scheibe 2 und eine oszillierende Rotorscheibe 3 angeordnet sind. Die feststehende Statorscheibe kann dabei gleichzeitig Bestandteil des Gehäuses 1 sein. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die Statorscheibe 2 unterhalb der Rotorscheibe 3. Bei abgewandelten Ausführungsformen könnte aber auch eine vertauschte Anordnung gewählt werden.
Die Rotorscheibe 3 ist an eine Antriebswelle 4 gekoppelt, durch welche die Pumpbewegung der Rotorscheibe hervorgerufen werden kann. Bei der hier dargestellten bevorzugten Ausfüh- rungsform ist die Antriebswelle 4 gleichzeitig Bestandteil eines elektrischen Motors 5, so dass sie als dessen Abtriebswelle fungiert. Die vom Motor bereit gestellte Antriebskraft wird daher ohne Getriebe- und Kupplungselemente an die Rotorscheibe 3 übertragen. Dies vereinfacht den Aufbau der kompletten Einheit und reduziert die erforderliche Baugröße. Abgewandelte Ausführungsformen können jedoch auch eigenständige Motoren zum Einsatz bringen.
Die beiden Scheiben 2, 3 besitzen jeweils Flanken 6, die sich ausgehend von der jeweiligen Scheibe in Richtung zur gegenüberliegenden Scheibe erstrecken. Da die prinzipielle Funktionsweise einer Spiral- oder Scrollpumpe dem Fachmann bekannt ist, muss der gewöhnliche Aufbau der Scheiben und der Flanken hier nicht detailliert beschrieben werden. Prinzi- piell sind die Flanken 6 spiralförmig auf der jeweiligen
Scheibe angeordnet und greifen derart ineinander ein, dass zwischen ihnen ein veränderlicher Förderraum 7 bereit gestellt wird.
Entscheidend für die verbesserte Funktionsweise der Scrollpumpe ist der Umstand, dass diese mit vertikal (senkrecht) stehender Antriebswelle 4 betrieben wird. Demzufolge stehen die Statorscheibe 2 und die Rotorscheibe 3 im wesentlichen horizontal (waagerecht) . Sofern beim Betrieb der Scrollpumpe in dem zwischen den Flanken ausgebildeten Förderraum 7 Kondensat auftritt, sammelt sich dieses auf Grund der Schwerkraft auf der unteren Scheibe, bei der dargestellten Ausfüh- rungsform also auf der Bodenfläche der Statorscheibe 2.
Während über einen Einlass 8 an relativ beliebiger Stelle das zu pumpende Medium in die Scrollpumpe eingeleitet wird, befindet sich ein Auslass 9 am tiefsten Punkt des Förderraums, etwa im Zentrum der unteren Scheibe. An dieser Stelle sammelt sich das Kondensat, ohne dass dafür die Förderleistung der Pumpe erforderlich wäre, allein auf Grund der wirkenden Schwerkraft. Natürlich unterstützt die fördernde Pumpe den Austrag des Kondensats zusätzlich. Der Auslass 9 wird vorzugsweise ohne Zwischenschaltung eines Ausgangsven- tils herausgeführt, so dass das Kondensat (und das geförderte Gas) druckfrei aus der Scrollpumpe sowohl während des Betriebs als auch im Ruhezustand abfließen kann. Durch Verzicht auf ein Ausgangsventil muss das geförderte Gas auch keiner Druckerhöhung am Pumpenausgang unterzogen werden, so dass es kaum zur Kondensation kommt.
Fig. 2 zeigt eine detailliertere Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Scrollpumpe, aus der sich weitere Einzelheiten erkennen lassen. So ist beispielsweise ersicht- lieh, das die Rotorscheibe 3 an ein exzentrisches Ende der Antriebswelle 4 gekoppelt ist, wodurch bei Drehung der Antriebswelle eine exzentrische Bewegung der Rotorscheibe hervorgerufen wird, wie dies bei Scrollpumpen üblich ist. Aus
Fig. 2 ist weiterhin ersichtlich, dass unterhalb der Scheiben 2, 3 ein elektrischer Lüfter 10 angeordnet ist, welcher der Zufuhr von Kühlluft an die komplette Einheit dient.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform wäre auch denkbar, dass lediglich ein Lüfterrad auf einer Verlängerung der Antriebswelle 4 befestigt wird, wobei in diesem Fall die Durchfuhr der Antriebswelle durch die Statorscheibe und die Kompensation der Exzenterbewegung erforderlich wären.
Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, kann zur Motorkühlung auch oberhalb des Motors 5 ein Lüfterrad 16 angeordnet sein, welches an dem äußeren Ende der Motorwelle angebracht ist.
In Fig. 3 ist die Scrollpumpe in einer Ansicht von unten dargestellt. Der Einlass 8 und der Auslass 9 sind seitlich weggeführt. Für die Funktionsweise ist jedoch entscheidend, dass der Auslass 9 in der Ebene der unteren Begrenzung des Förderraums beginnt .
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der Statorscheibe 2 und der Rotorscheibe 3. Es ist erkennbar, dass die jeweiligen Flanken 6 von einer Scheibe ausgehen und benachbart zueinander in Richtung zur gegenüberliegenden Scheibe verlaufen. Für die Abdichtung der einzelnen Förderräume 7 ist an der Stirnseite jeder Flanke 6 eine Spiraldichtung 11 angeordnet, wobei in der Fig. 4 zur Vereinfachung nur eine einzige Spiraldichtung dargestellt ist. Die Spiraldichtung 11 kann durch ein Dichtungsband gebildet sein, welches an die zu fördernden Medien angepasst ist und außerdem einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen soll, um die Oszillation der Rotorscheibe 3 nicht unnötig zu behindern. Die Spiraldichtung 11 liegt auf
ihrer der Flanke 6 abgewandten Seite an der Bodenfläche der gegenüberliegenden Scheibe an.
Vorzugsweise ist die Spiraldichtung 11 in eine Nut 12 einge- legt, welche in der Stirnseite der Flanke 6 verläuft. Dadurch dass die Spiraldichtung 11 etwas über die Flanke 6 hinaus ragt, schleift die Stirnseite der Flanke 6 während des Betriebs der Pumpe nicht auf der Bodenseite der gegenüberliegenden Scheibe. Außerdem verbleibt zwischen der Spiraldich- tung 11 der benachbarten Flanke 6 und der gegenüberliegenden Scheibe ein kleiner Kanal 13, der auch beim Stillstand der Scrollpumpe ein Abfließen von Kondensat ermöglicht. Dieser Kanal kann so klein gehalten werden, dass die Förderleistung der Pumpe kaum beeinträchtigt wird. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die Scrollpumpe beispielsweise mit etwa 1.500 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann, um Gase zu fördern. Bei den sich ergebenden Strömungsgeschwindigkeiten wirken sich klein genug gehaltene Luftspalte bzw. Kanäle nicht negativ auf die Förderleistung aus. Es ist dadurch auch nicht erforderlich, dass die Flanken 6 während der Rotation der Rotorscheibe 3 aneinander anliegen. Vielmehr wird ein minimaler Luftspalt belassen, um den Verschleiß der Pumpe klein zu halten.
Fig. 5 zeigt die Rotorscheibe 3 in einer Draufsicht. Außer der Spiraldichtung 11 sind weiterhin eine umlaufende innere Dichtung 14 und eine umlaufende äußere Dichtung 15 vorgesehen. Die umlaufenden Dichtungen 14, 15 dichten den gesamten Pumpenraum nochmals gegenüber den Lagern und der Umgebung ab. Es sind daher keine Wellendichtringe oder andere gasdichte Verbindungen zu Kugellagern erforderlich, wodurch sich ein preiswerter und funktionssicherer Aufbau ergibt. Außerdem ist sichergestellt, dass keine gepumpten Medien in die Umwelt
gelangen, so dass sich die Scrollpumpe auch zur Förderung aggressiver Stoffe eignet. Während des Betriebs erfolgt faktisch eine doppelte Abdichtung, da der Schöpfraum in erster Linie bereits durch die Spiraldichtung 11 abgedichtet ist und die weitere Abdichtung durch die umlaufenden Dichtungen 14, 15 erfolgt. Die umlaufenden Dichtungen bestehen vorzugsweise aus dem selben Material wie die Spiraldichtung.
Bei abgewandelten Ausführungsformen, bei denen z.B. aufgrund der unkritischen zu fördenden Medien geringer Anforderungen an die Dichtheit gestellt werden, könnte aber auch auf die separaten umlaufenden Dichtungen verzichtet werden und diese Abdichtung in herkömmlicher Weise erfolgen.
Gemäß einer nochmals weitergebildeten Ausführungsform ist die Scrollpumpe mit einer Gasballastzuführung ausgerüstet. Damit kann während der Verdichtungsphase Umgebungsluft oder Inertgas zu dem zu fördernden Medium hinzugefügt werden, wodurch die Gefahr einer unerwünschten Kondensation von Dämpfen in der Pumpe weiter reduziert wird. An die Gasballastzuführung kann ein geeignetes Einlassventil angeschlossen werden.
Abwandlungen der hier erläuterten Ausführungsform sind ohne Weiteres möglich. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die vertikale Lage der Antriebswelle und damit die horizontale Position der Statorscheibe und der Rotorscheibe aufrecht erhalten bleiben, um die Kondensatabführung zu gewährleisten. Der Auslass ist immer am tiefsten Punkt des Förderraums anzuordnen, damit das sich dort sammelnde Kondensat auf Grund der Schwerkraft aus der Pumpe abgeführt werden kann.
Bezugszeichenlis-be
1 Gehäuse
2 Statorscheibe
3 Rotorscheibe
4 Antriebswelle
5 Motor
6 Flanken
7 Förderraum
8 Einlass
9 Auslass
10 Lüfter
11 Spiraldichtung
12 Nut
13 Kanal
14 umlaufende innere Dichtung
15 umlaufende äußere Dichtung
16 Lüfterrad